Overview
Fonte: Andrew Duffy, PhD, Departamento de Física, Universidade de Boston, Boston, MA
Este experimento examina em várias situações envolvendo dois objetos interagindo.
Primeiro, o experimento examina as forças que dois objetos aplicam um ao outro enquanto colidem. Os objetos são carrinhos de rodas que têm massas variáveis. O objetivo deste experimento é descobrir quando a força que o primeiro carrinho exerce sobre o outro é a mesma magnitude que a força que o segundo carrinho exerce de volta na primeira, bem como quando essas duas forças têm magnitudes diferentes.
Em segundo lugar, examina as forças que dois objetos exercem um sobre o outro quando um carrinho está empurrando ou puxando o segundo. Mais uma vez, o foco é explorar as situações em que as duas forças têm a mesma magnitude e nas quais têm magnitudes diferentes.
Principles
O objetivo principal deste experimento é explorar a terceira lei de Newton.
O aparelho é composto por dois carrinhos, cada um com um sensor de força montado na parte superior(Figura 1). Os sensores de força são conectados a um computador através de uma interface de computador dedicada. Cada sensor de força mede a força exercida sobre ele pelo outro sensor de força durante a colisão ou a situação de empurrar/puxar.
Figura 1. A configuração básica. Os principais componentes do aparelho são os carrinhos de duas rodas, cada um com um sensor de força montado na parte superior, e uma interface de computador.
Procedure
1. Situações de colisão
- Enrosque um para-choque de borracha(Figura 1) em cada sensor de força.
- Ajuste cada sensor de força na configuração 50-N.
- Zero os sensores de força antes de cada teste, apertando o botão "Zero" ao lado do arqueiro verde que inicia a coleta de dados.
- Verifique se a direção positiva (ou seja, à direita) é definida adequadamente para cada sensor de força.
- Empurre o sensor de força montado à direita do carrinho; isso deve resultar em uma leitura de força positiva. Empurre o sensor de força montado à esquerda do carrinho; isso deve resultar em uma leitura de força negativa.
- Se ambos estiverem errados, basta inverter a posição do carrinho.
- Se apenas um estiver errado, vá para o "menu experimentar" e selecione "Sensores de configuração". Escolha o sensor de força apropriado e selecione "Direção Inversa".
- A primeira colisão envolve carrinhos de massa igual. Designe um carrinho para ficar parado antes da colisão. O outro carrinho terá uma velocidade inicial em direção ao carrinho estacionário para que as carroças colidam.
- Aperte o botão "Coletar" (o arqueiro verde) antes de empurrar um carrinho em direção ao outro. Dê um empurrão pequeno em um carrinho, solte o carrinho e observe a colisão. Os valores de força máxima entre cerca de 8 e 20 N devem ser observados em um ensaio típico. Ajuste o empurrão se os valores de força máxima forem muito menores ou muito maiores do que essa faixa.
- Após a colisão, o computador exibirá um gráfico de "força vs. tempo", como registrado por cada sensor de força.
- Se os gráficos não aparecerem, reverta o acionamento.
- Depois de apertar o botão "Coletar", nenhum dado é realmente registrado até que um dos sensores de força regisse um valor acima (ou abaixo) de um certo nível de gatilho. No entanto, se o nível de gatilho for definido como um valor positivo e o sensor de força estiver apenas dando valores negativos de força, ou vice-versa, o computador nunca receberá o sinal dizendo-lhe para gravar dados.
- Para verificar ou reverter a configuração do gatilho, pressione o ícone "Coleta de dados" (imediatamente à esquerda do botão "Zero") e selecione a guia "Acionando".
- As duas opções utilizadas neste experimento são "Aumentando em 0,2 N" e "Diminuindo em -0,2 N". Se uma dessas configurações não estiver causando o acionamento necessário, mude para a outra.
- Na segunda colisão, a carreta estacionária deve ter de 2 a 3 vezes a massa do carrinho que está se movendo antes da colisão. Para isso, adicione um ou mais pesos ao carrinho estacionário. Repita o processo (veja as etapas abaixo).
- Designe o carrinho de maior massa para ficar parado antes da colisão.
- Aperte o botão "Coletar" e pressione o carrinho de massa inferior em direção ao carrinho de massa mais alta.
- O computador exibirá os dois gráficos "força vs. tempo".
Na terceira colisão, a carreta que se move antes da colisão deve ter de 2 a 3 vezes a massa do carrinho estacionário. Consiga isso transferindo o peso extra de um carrinho para o outro. Repita o processo de realização da colisão e coleta dos dados.
2. Situações de empurrar e puxar
- Substitua os para-choques de borracha em cada sensor de força por ganchos.
- Enganchar os carrinhos para permitir que um carrinho empurre ou puxe o outro carrinho.
- Reverter a condição de acionamento, conforme descrito na etapa 1.8.
- Comece com carrinhos de massa igual.
- Aperte o botão "Coletar".
- Puxe ou empurre um dos carrinhos para que ele puxe ou empurre o outro carrinho, respectivamente, ou balance-o para frente e para trás para que haja tanto puxar e empurrar.
- Dê ao carrinho ser puxado e/ou empurrado 2-3 vezes a massa do outro carrinho. Repita o processo de coleta de dados.
- Registo os dados de "força versus tempo" para este cenário de empurrar/puxar.
- Dê ao carrinho fazendo o puxão e/ou empurrando 2-3 vezes a massa do outro carrinho. Repita o processo de coleta de dados.
- Regisso recorde os dados de "força vs. tempo" neste cenário de empurrar/puxar.
As leis de newton são a base para a mecânica clássica e descrevem a relação entre um objeto e as forças que o adusem sobre ele.
Por exemplo, quando um foguete está em repouso na plataforma de lançamento antes do lançamento, o foguete e o solo exercem forças iguais e opostas um sobre o outro. Para decolar, ou quando o foguete está no espaço, o gás em expansão do combustível em chamas empurra contra o foguete e o impulsiona para a frente. Menos aparente, no entanto, é que o foguete empurra contra o gás ao mesmo tempo. Estes fenômenos simples obedecem às leis de newton, embora as forças em ação possam não ser óbvias porque as forças nem sempre são visíveis.
Este vídeo introduzirá o básico das leis de movimento de Newton e, em seguida, demonstrará o conceito através de uma série de experimentos medindo as forças entre carrinhos de duas rodas em várias situações.
As leis de Newton consistem em três leis-chave. A primeira lei é a mais simples, e afirma que um objeto em repouso fica em repouso, a menos que seja agido por uma força. Da mesma forma, um objeto em movimento permanece em movimento a menos que seja agido por uma força. Especificamente, se as forças líquidas no objeto são zero, a velocidade do objeto é constante, quer a velocidade seja zero ou não. No entanto, uma força aplicada, como chutar a bola ou bater na parede, faz com que a velocidade do objeto mude.
A segunda lei de Newton diz que a taxa de mudança de uma velocidade de objetos, chamada aceleração, é diretamente proporcional à força aplicada a ela. O fator de proporcionalidade é a massa do próprio objeto.
Em outras palavras, se um objeto está acelerando, há uma força líquida sobre ele. Esta lei é consistente com a primeira lei, onde a taxa de mudança da velocidade de um objeto - sua aceleração - é zero quando não há força líquida aplicada.
Finalmente, a terceira lei de Newton afirma que as forças de dois objetos agindo um sobre o outro são iguais em magnitude, mas opostas na direção
Esse comportamento é muitas vezes difícil de entender. Por exemplo, quando dois objetos de diferentes massas colidem, muitas vezes é assumido que o objeto mais massivo exerce uma força maior do que o objeto menos massivo. No entanto, as forças são iguais eopostas.
A terceira lei de Newton é comumente expressa com a frase, "para cada ação há uma reação igual e oposta". Para ser específico, as forças entre dois objetos interagindo são chamadas de "pares de ação-reação", que são iguais em magnitude e opostos na direção.
Mas as respostas dos objetos- isto é, suas acelerações - podem não ser iguais. Isso ocorre porque a aceleração é inversamente proporcional à massa de acordo com a segunda lei de Newton.
Considere o que acontece quando um caminhão muito grande colide com um carro muito pequeno. Se a ação e a reação se referem às forças de impacto entre eles, então, de fato, a ação produz uma reação igual e oposta. Mas devido às diferenças significativas nas massas entre caminhão e carro, os efeitos dessas forças são muito diferentes. O carro se recupera catastroficamente, enquanto o caminhão muito mais massivo dificilmente muda de curso.
Agora que os princípios das leis de newton foram apresentados, vamos dar uma olhada no comportamento dos objetos em movimento, e relacionar seu comportamento com a terceira lei de newton.
Os experimentos a seguir usam carrinhos de duas rodas, que deslizam em uma faixa longa e de baixo atrito.
Cada carrinho é equipado com um sensor de força conectado a uma interface de computador para gravação de dados. Cada sensor está posicionado para atingir o sensor do outro carrinho durante uma colisão, ou para empurrar ou puxar o sensor do outro carrinho enquanto eles deslizam na pista.
Antes de iniciar os experimentos de colisão, os sensores de força devem ser configurados para o impacto e configurados para o nível de força esperado. Primeiro, enrosque um para-choque de borracha no êmbolo de cada sensor de força. Localize o interruptor de deslizamento em cima do sensor de força. Ajuste este interruptor para a posição de 50 Newton para cada sensor.
O botão "Coletar", que parece um arqueiro verde, inicia a coleta de dados. Antes de cada experimento, pressione o botão ao lado desta seta verde para zerar o sensor de força.
Zero ambos os sensores de força, em seguida, verifique-os para se certificar de que a direção positiva para cada um é definida à direita. Empurre o sensor com o êmbolo que aponta para a direita. A leitura da força deve ser positiva.
Empurre o sensor com o êmbolo que aponta para a esquerda. A leitura da força deve ser negativa. Se ambas as leituras de força estiverem erradas, então inverta as posições dos carrinhos.
Se apenas uma leitura estiver errada, vá para o menu "Experimentar" e selecione "Sensores de configuração". Escolha o sensor de força apropriado e selecione "Direção Inversa".
Depois que os sensores de força foram configurados corretamente, o aparelho está pronto para o primeiro experimento, que usa carrinhos de massa igual. Escolha um carrinho para ficar parado no início do teste.
Zero ambos os sensores de força, em seguida, pressione o botão "Coletar" para iniciar a gravação de dados. Empurre e solte o outro carrinho para que ele deslize por conta própria e colida com o carrinho estacionário.
Após o impacto, o computador exibe um gráfico da "força versus tempo" gravada por cada sensor. Magnitudes de força máxima devem ser entre 8 e 20 Newtons. Se a força máxima estiver fora deste intervalo, então repita o experimento e ajuste o quão forte o carrinho é empurrado.
Quando carrinhos com massa igual colidem, este enredo mostra que as forças que experimentam são iguais e opostas. Como a aceleração é igual à força dividida por massa, cada carrinho acelera com a mesma magnitude, mas em direções opostas.
O segundo experimento de colisão repete o primeiro experimento, mas com carrinhos de massa desigual. Escolha um carrinho para ficar parado e carregue-o com um ou mais pesos para que ele tenha de 2 a 3 vezes a massa do carrinho em movimento.
Zero ambos os sensores de força, pressione o botão "Coletar" e repita o experimento de colisão empurrando o carrinho sem pesos para o carrinho ponderado
Quando o carrinho de movimento menos massivo colide com o mais massivo, estacionário, eles se recuperam com velocidades muito diferentes. Apesar das aparências, as magnitudes das forças são realmente iguais, como as tramas mostram claramente. Esse comportamento pode ser confuso, mas é porque o carrinho menos massivo experimenta maior aceleração do que o mais massivo, novamente porque a aceleração é igual à força dividida por massa.
Em seguida, transfira os pesos do carrinho estacionário para o carrinho de movimento para reverter os papéis dos carrinhos. Repita o experimento com o carrinho em movimento sendo mais massivo e o carrinho estacionário sendo menos massivo. Zero ambos os sensores de força e pressione o botão "Coletar". Repita o experimento empurrando o carrinho ponderado para o não ponderado.
Como no experimento anterior, os dois carrinhos se recuperam com velocidades muito diferentes, por causa de suas diferentes massas. No entanto, as forças de impacto ainda têm magnitudes iguais. Assim, independentemente de os carrinhos terem massas iguais ou diferentes, as forças de colisão são sempre iguais em magnitude e opostas na direção.
A terceira lei de movimento de Newton se aplica não apenas a colisões, mas também a todas as situações em que dois objetos interagem.
A terceira lei de Newton também se aplica às interações entre dois objetos. Para examinar esse fenômeno, o experimento do carrinho foi modificado substituindo os para-choques de borracha nos sensores de força por ganchos e, em seguida, juntando os carrinhos. A condição de acionamento também foi revertida no software de coleta de dados.
Quando carroças de massa igual empurrada e puxavam a outra, as forças eram iguais e opostas, apesar da mudança de direção do movimento. Quando dois carrinhos de massa desigual foram empurrados e puxados o fenômeno ainda se mantém verdadeiro.
Físicos tentando entender a formação de planetas frequentemente estudam colisões. Neste exemplo, partículas de poeira foram preparadas para simular colisões no sistema solar primitivo. As partículas foram retiradas, e sua colisão registrada.
As partículas colidindo exerciam forças uns contra os outros, que eram iguais em magnitude e em direção oposta. Quando ambos os objetos permaneceram intactos, as forças de impacto fizeram com que eles se recuperassem.
Você acabou de assistir a introdução de JoVE às leis de Newton. Agora você deve entender o básico das três leis, como eles descrevem movimento e forças sobre objetos. Obrigado por assistir!
Results
A terceira lei de Newton afirma que sempre que dois objetos interagem, o segundo objeto exerce uma força sobre o primeiro objeto que é igual em magnitude e oposto na direção da força que o primeiro objeto exerce sobre o segundo. Isso é simples de afirmar, mas pode ser difícil de aceitar. Por exemplo, muitas vezes se supõe que a força que um objeto maior exerce sobre um objeto menor é maior do que a força que o objeto menor exerce de volta sobre o objeto maior.
Figura 2. Resultado da primeira colisão. As forças experimentadas pelos carrinhos são iguais e opostas.
Figura 3. Resultado da segunda colisão. As forças experimentadas pelos carrinhos são iguais e opostas.
Figura 4. Resultado da terceira colisão. As forças experimentadas pelos carrinhos são iguais e opostas.
Figura 5. Resultado da primeira situação de empurra/puxar. As forças experimentadas pelos carrinhos são iguais e opostas.
Figura 6. Resultado da segunda situação de empurra/puxar. As forças experimentadas pelos carrinhos são iguais e opostas.
Figura 7. Resultado da terceira situação de empurra/puxar. As forças experimentadas pelos carrinhos são iguais e opostas.
Applications and Summary
O conceito abordado neste experimento, ou seja, que, em todas as interações, a força que um objeto aplica a outro é igual em magnitude e oposta na direção à força aplicada pelo segundo objeto de volta no primeiro, tem muitas aplicações. Por exemplo, (1) a força gravitacional que o Sol aplica à Terra é igual e oposta à força gravitacional que a Terra aplica ao Sol. (2) A força gravitacional que a Terra aplica à Lua é igual e oposta à força gravitacional que a Lua aplica à Terra. (3) A força gravitacional que a Terra exerce sobre uma maçã é igual e oposta à força gravitacional que a maçã aplica à Terra. (4) Em uma colisão, como entre um carro e um caminhão na rua ou entre dois jogadores de futebol, as forças são sempre iguais e opostas, não importa como as massas se comparam. (5) Quando uma pessoa fica em um andar ou se senta em uma cadeira, a força exercida sobre essa pessoa pelo chão ou pela cadeira é igual e oposta à força que a pessoa exerce no chão ou na cadeira.
